Průvodní list Šablona: III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Vzdělávací materiál: Prezentace Určen pro: 3. ročník oboru Strojírenství a 3. ročník oboru Ekonomika a podnikání Vzdělávací oblast: Strojírenská technologie – Strojní obrábění Název učebního materiálu: Materiály pro řezné nástroje Jméno autora: Ing. Miroslava Jeřichová Datum vytvoření: Reg.č. projektu: CZ.1.07/1.5.00/

Klíčová slova: nástrojová ocel, slinuté karbidy, cermety, řezná keramika, diamant, kubický nitrid bóru. Anotace: Prezentace je určena žákům 3. ročníku oboru Strojírenství pro výuku v předmětu Strojírenská technologie a žákům 3. ročníku oboru Ekonomika podnikání v předmětu Strojírenská výroba. Inovuje výuku použitím multimediálních pomůcek – prezentace. Metodické pokyny: Tento materiál uplatní učitel při výkladu dané látky, použité obrázky, videa a fotografie zvýší názornost výkladu. Prezentaci mohou žáci použít i v rámci samostatné domácí přípravy na výuku.

Materiály pro řezné nástroje  Úvod  Nástrojová ocel  Slinuté karbidy  Cermety  Řezná keramika  Kubický nitrid bóru  Diamant

Úvod  Pro výrobu strojních součástí, které jsou z kovových i nekovových materiálů, používáme různé metody obrábění soustružení, frézování, vrtání…..  Pro zhotovení součásti určitého tvaru, rozměru, přesnosti a jakosti povrchu potřebujeme řezný nástroj  Nástrojový materiál musí mít určité vlastnosti: 1.Tvrdost, aby odolával opotřebení břitu a plastické deformaci 2.Houževnatost, aby odolal celkovému (totálnímu) lomu 3.Nesmí reagovat s materiálem obrobku 4.Chemicky stabilní, aby odolával oxidaci a difuzi 5.Odolný proti náhlým změnám teplot

Úvod  Opotřebení hřbetu - Abrazivní  ​ Nejčastější způsob opotřebení, vzniká v důsledku abraze a způsobují ho tvrdé částice v materiálu obrobku

Úvod  Opotřebení ve tvaru žlábku - Chemické  ​ Vzniká na čelní ploše břitové destičky, dochází k němu v důsledku chemické reakce mezi materiálem obrobku a obráběcím nástrojem a jeho účinek se zesiluje s rostoucí řeznou rychlostí

Úvod  Tvorba nárůstku (BUE) - Adhezní  Vzniká tlakovým navařováním částí třísky na břitovou destičku, nejčastěji k němu dochází při obrábění materiálů snadno ulpívajících na břitu jako jsou nízkouhlíkové oceli, korozivzdorné oceli nebo hliník

Úvod  Tepelné trhliny - Tepelné  ​ Pokud se teplota břitu velice rychle mění z vysoké na nízkou, mohou se kolmo na břit objevit vícenásobné trhliny, které souvisejí s přerušovanými řezy, běžnými při frézování

Úvod  Soudobé řezné nástroje jsou vyráběny z rozličných materiálů, aby obrábění bylo ekonomické a efektivní  V současné době neočekáváme objevení zcela nového řezného materiálu, a proto výrobci řezných nástrojů spíše zdokonalují technologii jejich výroby a vymezují optimální oblast jejich využití

Nástrojová ocel  Třída 19 – ocel uhlíková 19 0xx, 19 1xx, 19 2xx slitinová 19 3xx až 19 7xx vysokolegovaná – rychlořezná 19 8xx, 19 9xx  Nástrojová ocel uhlíková – nástroje pro obrábění dřeva.  Slitinová ocel – legury V, Cr, W, Mo, Si, Mn, Ni, trvanlivost ostří řezných nástrojů na obrábění kovů zvyšuje přísada karbidotvorných prvků, zejména Cr, V a W.  Rychlořezná ocel – legury W 5% až 20%(vyšší řezivost), Cr (zlepšuje kalitelnost) a V(zvětšuje odolnost proti popouštění a opotře­bení)  Přiměřené množství C slouží k vytvoření správného množství karbidů dobře kalitelná a dostatečně tvrdá

Nástrojová ocel  Některé oceli mají ještě přísadu Co 5% až 10%, který zabraňuje přehřátí při ohřevu na vysokou kalicí teplotu a umožňuje lepší rozpouštění karbidů  Nejstarší a nejužívanější druh rychlořezné oceli má 0,7 % C, 18 % W, 4,3 % Cr a 1,4 % V (19824)  Pro největší výkony se přidává 5 až 10 % Co  Pro jemné a přesné obrábění na čisto je vhodná ocel která má Poldi označení (RADECO)

Slinuté karbidy  Průmyslově se vyrábí od roku 1926, kdy firma Krupp zhotovila metodou práškové metalurgie první slinutý karbid WIDIA (odtud slangové označení pro výměnné destičky a vrtáky do zdiva „vidiák“)1926  WIDIA – Wie Diamant – jako diamant ( tvrdost )  Jsou směsí částic: karbidu wolframu (WC) a kovového pojiva bohatého na kobalt (Co), také karbidů Ti, Ta  Slinuté karbidy používané pro obrábění obsahují více než 80% částic tvrdé fáze WC  Tvar těla nástroje ze slinutého karbidu je vytvářen buď lisováním prášku, nebo metodou vstřikování do formy, vytvořený polotovar je dále slinován až na plnou hustotu – monolitní nástroje

Slinuté karbidy  Břitové destičky – zpočátku byly destičky pájené do ocelového držáku, v současnosti má většina nástrojů mechanicky upínané vyměnitelné destičky  WC - velikost zrna je jedním z nejdůležitějších parametrů, má vliv na tvrdost, při daném obsahu pojiva znamená menší velikost zrna vyšší tvrdost  Na konci 60.let 20.stol. se vyvinula rovnoměrná jemnozrnná karbidická zrna  japonská firma Sumitomo vyrobila superjemné karbidy  Konec desetiletí – ultrajemné materiály firma Mitsubishi

Slinuté karbidy  Slinuté karbidy jsou mnohem tvrdší než rychlořezné oceli a slitiny Co—Cr—W, svou tvrdost zachovávají i za vyšších teplot  Řezné nástroje se hodí k obrábění nejrůzněj­ších druhů materiálů, od měkkých, jako jsou mosazi a slitiny Al, až po nejtvrdší materiály, jako je bílá litina a žáropevné slitiny o velké pevnosti  Volba vhodného slinuté­ho karbidu závisí hlavně na druhu a tvrdosti obráběného materiálu  S rostoucím obsahem kobaltu vzrůstá houževnatost, ale klesá tvrdost a odolnost proti opotřebení

Slinuté karbidy  SK dělíme na: 1.Nepovlakované – skupiny P, M, K, N, S, H 2.Povlakované – CVD a PVD povlaky

Nepovlakované SK  Zákl. karbidem je WC, pojivo je Co a další složky jsou: TiC, TaC, NbC a karbid chromu  Skupina K – obrábění šedé litiny – krátká drobivá tříska  Skupina P – uhlíkové a slitinové oceli – dlouhá tříska  Skupina M – univerzální použití – oceli, tvárné litiny  Video ukázky:   cz/video/pages/default.aspx cz/video/pages/default.aspx

Slinuté karbidy Válcová fréza s VBD Monolitické frézy

Povlakované SK  První povlakované břitové destičky z SK vyrobila firma Sandvik Coromant v roce 1969, byl to materiál GC125 povlakovaný TiC o tloušťce vrstvy μm  Otěruvzdorné vrstvy byly vytvářeny na podkladech z běžných SK nejdříve metodou CVD, jako jedno- i vícevrstvé  80. léta - povlaky PVD - nejužívanějším povlakem PVD byl jednovrstvý TiN

Povlakované SK  ​ CVD (Chemical Vapor Deposition = chemické napařování z plynné fáze), CVD povlak vzniká chemickými reakcemi při teplotách v intervalu °C  CVD povlaky mají vysokou odolnost proti otěru a skvělou adhezi k podkladu, všestranný účinek a výhodou je variabilita typů povlaků  Nevýhody: snížení ohybové pevnosti podkladového SK, nemožnost povlakovat ostré hrany a tahová zbytková pnutí v povlaku  Povlaky – nejdříve: TiC, Alumina (Al 2 O 3 ), TiN  Současnost – povlaky: karbonitrid titanu (MT-Ti(C,N) nebo MT-TiCN případně různé kombinace MT-Ti(C,N), Al 2 O 3 a TiN

Povlakované SK  ​ PVD povlaky (Physical Vapor Deposition) jsou nanášeny za nízkých teplot ( °C), proces se skládá z postupného odpaření kovu, který reaguje například s dusíkem tvrdý nitridický povlak 2 až 5µm  Povlaky: TiN – první povlak, univerzální vlastnosti, zlatá barva  Ti(C,N) - karbonitrid titanu je tvrdší než TiN, zvyšuje odolnost proti opotřebení hřbetu  (Ti,Al)N - titan aluminium nitrid má vysokou tvrdost, vysokou odolnost proti oxidaci a opotřebení  Výhody: možnost povlakovat i ostré hrany, vhodné i pro přerušovaný řez frézování, nemá nepříznivý vliv na vlastnosti podkladu  Nevýhody: důkladná příprava povrchu – odmaštění, čištění

Povlakované SK

 Současný stav a perspektivy dalšího vývoje  Na přelomu 80. a 90. let - vícevrstvé povlaky, velký zájem je soustředěn na vývoj vlastností povlaků z polykrystalického diamantu a současně dochází i k vývoji v technologii vytváření vrstev  plazmaticky aktivovaná CVD metoda, která se od klasické CVD metody liší nízkými pracovními teplotami (běžně 600 o C ), chemicky aktivovaná plazma umožňuje snížit teplotu potřebnou pro ukládání povlaku na podklad  Plazmu lze vytvořit pomocí vnějšího elektrického napájecího zdroje (nízkofrekvenční střídavé napětí, vysokofrekvenční střídavé napětí, stejnosměrné napětí, pulzní stejnosměrné napětí) nebo reaktivním plynem (např. NH 3 )

Povlakované SK  Nanášení multivrstev  Firma Valenite vyvinula povlakovací metodu MLCVD (Multi- Layer Chemical Vapor Deposition), kterou lze na podklad nanést až 200 extrémně tenkých vrstev povlaku, firma oznamuje vývoj povlakovaných materiálů s 62 navzájem se střídajícími vrstvami TiC a TiCN s nanometrovou tloušťkou (10 -3 μm) nanokrystalické kompozity

Výroba břitových destiček

Povlakování nástrojů

Cermety  Název vznikl složením slov CERamics a METal, materiál má výhodnou kombinaci tvrdosti keramiky a houževnatosti kovu  Vyrábí se práškovou metalurgií a mohou být i povlakované  Původně se cermety skládaly z TiC a niklu  Moderní cermety Ni neobsahují a jejich důmyslné složení je tvořeno částicemi karbonitridů titanu Ti(C,N), částicemi sekundárních tvrdých fází (Ti,Nb,W)(C,N) a pojivem bohatým na kobalt  Cermety jsou materiály, které byly hlavně vyvinuty v Japonsku, firmy Kyocera a Mitsubishi patří mezi světové lídry  Vlastnosti: vyšší odolnost proti otěru, sekundární tvrdé fáze zvyšují odolnost proti plastické deformaci, podíl Co ovlivňuje houževnatost, vynikající kvalita obráběného povrchu, vysoká životnost a pracují o 30 až 50 % vyššími řeznými rychlostmi než karbidy

Cermety

Výkonné břitové destičky Mitsubishi UE6110 (P05–P15) s povlakem Black Doporučené řezné rychlosti jsou na úrovni v c = 300 m.min -1 pro měkké oceli a v c = 200 m.min -1 pro uhlíkové a slitinové oceli (≥ 180 HB).

Řezná keramika  Převážně krystalický materiál, hlavní složkou jsou anorganické sloučeniny nekovového charakteru  U nás se výzkumem a vývojem břitových keramických destiček zabýval Výzkumný ústav minerálů v Turnově  DIAS Turnov a VÚE Hradec Králové sériová výroba BD z řezné keramiky pod obchodním názvem DISAL 100  Výroba práškovou metalurgií  Výhody: - poměrně nízká cena - odolnost proti vysokým teplotám - vysoká tvrdost - vysoká chemická stálost - odolnost proti opotřebení - nízká měrná hmotnost

Řezná keramika  Nevýhody: - první keramika příliš křehká - hrubozrnná struktura - nízká odolnost proti teplotním šokům a mechanickým rázům - nízká ohybová pevnost, malá lomová houževnatost  Mechanické vlastnosti ŘK ovlivňuje: 1.Charakter chemické vazby (iontová a kovalentní) 2.Složitá krystalová struktura 3.Množství trhlin a pórů  Většina druhů ŘK má úzkou oblast využití (4 až 5% z řezných materiálů), pro jejich efektivní využití je důležité dodržet určité zásady např. vhodná volba destičky co do velikosti, tak i tvaru ostří, vysoká tuhost soustavy, najíždění a vyjíždění z řezu malým posuvem…

Třídy řezné keramiky  Oxidová keramika: obsahuje velmi čistý a jemnozrnný oxid hlinitý, k němu se přidává např. oxid Zr, Cr, Ti … pro zlepšení vlastností  Smíšená keramika: vyztužená částicemi kubických karbidů nebo karbonitridů (TiC, Ti(C,N)) zvýšená houževnatost, tepelná vodivost  Keramika vyztužená whiskery: tzn., že do základní matrice jsou přidávána vlákna SiC vyšší pevnost, lomová houževnatost, možnost použít řeznou kapalinu  Nitridová keramika: obsahuje nitrid Si, jedna z jeho modifikací má protáhlé krystaly, které zvyšují lomovou houževnatost obrábění šedé litiny  Sialon (SiAlON): kombinují pevnost nitridové keramiky s vysokou chemickou stabilitou obrábění žáruvzdorných slitin  Keramické třídy lze využít pro vysokorychlostní soustružení a frézování, při správném použití umožní dosažení vysoké produktivity

Řezná keramika

Kubický nitrid bóru (PKNB, KNB)  Polykrystalický nitrid bóru má vysokou tvrdost za tepla (své vlastnosti si udrží do teploty 1400°C), vysokou houževnatost, vy- sokou pevnost břitu, odolnost proti opotřebení, odolnost proti teplotním rázům vysokorychlostní soustružení a frézování kalených ocelí, šedé litiny  KNB – tvořen zrny tvrdé fáze KNB a pojiva  Výroba břitových destiček: 1.Monolitní destičky – nejčastěji kruhové 2.Břitovou destičku tvoří hrot = roubík, připájený na nosič ze slinutého karbidu

KNB

Připájený roubík na BD

Diamant (PKD)  Polykrystalický diamant (PKD) se skládá z diamantových částic slinutých dohromady prostřednictvím kovového pojiva  Vlastnosti: nejtvrdší materiál, nejvyšší odolnost vůči otěru  Nevýhody: nízká teplotní stálost – při teplotě nad 650°C se mění na grafit, vysoká afinita k železu při obrábění oceli a litiny by vlivem difuze mezi nástrojem a obrobkem došlo k opotřebení na čele nástroje  Použití: vysokorychlostní soustružení a frézování slitin Al, Cu, Ti, kompozitů, plastů s uhlíkovými vlákny, tvrdých přírodních materiálů např. mramoru, žuly  Břitové destičky: vyrábí se s připájeným roubíkem PKD

Materiály pro řezné nástroje

Použité zdroje:  Zdroje obrázků:  AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: %20Materials/h010_1_eng.jpg, AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: %20Materials/h010_2_eng.jpg, AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: %20Materials/h010_3_eng.jpg, AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: %20Materials/h010_6_eng.jpg  AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: frezy.jpg, AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: pos_solid-end-mills-01.jpg,  AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW:

Použité zdroje:  AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW:  AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: erials/ jpg, erials/ jpg  AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: erials/ jpg  Použité články:  AUTOR NEUVEDEN. Trendy v povlakování slinutých karbidů [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: karbidu.html,  AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW:  AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: H%20Materials/h009_eng.jpg, AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: erials/ jpg

Použité zdroje:  Použitá literatura:  HUMÁR, Anton. Materiály pro řezné nástroje. Praha: MM publishing, s.r.o., Přípotoční 1519/10A, Praha 10, 2008, ISBN  Zdroje videí:  Cdrom-MM spektrum - elektronická příloha časopisu MM Průmyslové spektrum 1-2/2006